(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号ごとに前記基板上に形成されて、前記第１の波長の光に対して与える位相変化量と前記第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、
前記光位相変調器ごとに前記基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ前記光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のＯＥ変換デバイスと、
前記ＯＥ変換デバイスごとに前記基板上に形成されて、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ前記電気信号を無線送信することにより、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスと
を備えることを特徴とする光電子集積回路。
【請求項２】
基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号ごとに前記基板上に形成されて、前記第１の波長の光に対して与える位相変化量と前記第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、
前記光位相変調器ごとに前記基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ前記光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のＯＥ変換デバイスと、
前記ＯＥ変換デバイスごとに前記基板上に形成されて、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスと、
前記ＯＥ変換デバイスごとに前記基板上に形成されて、当該アンテナデバイスで無線受信した受信信号を、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ前記電気信号で復調し、得られた復調信号を出力するＮ個の電気入出力回路と
を備えることを特徴とする光電子集積回路。
【請求項３】
基板上に形成されて、入力光信号をＮ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号ごとに前記基板上に形成されて、光の波長により位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、
前記光位相変調器ごとに前記基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ前記光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のＯＥ変換デバイスと、
前記ＯＥ変換デバイスごとに前記基板上に形成されて、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ前記電気信号を、入力された変調信号で変調し、得られた送信信号を出力するＮ個の電気入出力回路と、
前記基板上に形成されて、前記電気入出力回路から出力されたＮ個の前記送信信号を電力合成して出力する電力合成線路と
を備えることを特徴とする光電子集積回路。
【請求項４】
基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号ごとに前記基板上に形成されて、前記第１の波長の光に対して与える位相変化量と前記第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、
前記光位相変調器ごとに前記基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ前記光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードごとに前記基板上に形成されて、当該フォトダイオードから出力された個別の位相を持つ前記電気信号を無線送信することにより、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスと
を備えることを特徴とするアレイアンテナ発信器。
【請求項５】
基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号ごとに前記基板上に形成されて、前記第１の波長の光に対して与える位相変化量と前記第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、
前記光位相変調器ごとに前記基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ前記光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードごとに前記基板上に形成されて、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスと、
前記フォトダイオードごとに前記基板上に形成されて、当該アンテナデバイスで無線受信した受信信号を、当該フォトダイオードから出力された個別の位相を持つ前記電気信号で復調し、得られた復調信号を出力するＮ個の電気入出力回路と
を備えることを特徴とするアレイアンテナ受信器。
【請求項６】
基板上に形成されて、入力光信号をＮ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、
前記光スプリッタから出力された前記光信号ごとに前記基板上に形成されて、光の波長により位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、
前記光位相変調器ごとに前記基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ前記光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のフォトダイオードと、
前記フォトダイオードごとに前記基板上に形成されて、当該フォトダイオードから出力された個別の位相を持つ前記電気信号を、入力された変調信号で変調し、得られた送信信号を出力するＮ個の電気入出力回路と、
前記基板上に形成されて、前記電気入出力回路から出力されたＮ個の前記送信信号を電力合成して出力する電力合成線路と
を備えることを特徴とする発信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）波の発生、信号伝送、また受信を目的として動作する複数個のＯＥ変換デバイスに、位相を制御した光変調信号を分配する光信号処理回路技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続テラヘルツ波の発生手法として、その周波数範囲の広さから、光電導デバイスやフォトダイオードによるＯＥ変換（光／電気変換）が、近年、注目されている。トランジスタアンプが到達できない高周波域（＞３００ＧＨｚ）では、従来から、非線形ダイオード素子による逓倍器（Frequency Multiplier）が存在したが、一般に帯域が狭く、また、信号変調のデバイス構成が複雑である等の理由で、必ずしも広い応用には適さないことによる。
【０００３】
その偏波を合わせて二つのレーザ光出力（光波長：λ１、λ２）を合成した２モードのビート信号をＯＥ変換すると、それらの差周波としてテラヘルツ波を容易に取り出すことができる。光ビート信号を利用することができるため、上で述べたように、使用可能な波長範囲は極めて広い。
【０００４】
ただし、一般に、一個のＯＥ変換デバイス（光電導デバイスやフォトダイオードなど）で発生できる最大テラヘルツ波出力には、デバイスの周波数特性や発熱に伴う制約で限度がある、そのため、電力合成によって、より高いテラヘルツ波出力を発生する技術が、特に、信号伝送の応用では望まれている。テラヘルツ波イメージングの観測時間を短縮する上でも、テラヘルツ波光源の出力増大が基本的に重要性となる。電力合成は、個々のＯＥ変換デバイスのテラヘルツ波出力を電気線路上で合成する手法と、ＯＥ変換デバイスに直接アンテナを接続する手法がある。後者は、いわゆるフェーズドアレイアンテナを構成できるので、放射パタンを制御することに、より様々な機能性を持たせることができる。
【０００５】
また、ＯＥ変換デバイスの非線形性を利用したホモダイン受信、ヘテロダイン受信においても、ローカル信号を多数のＯＥ変換デバイスに供給することにより、効率的なテラヘルツ波イメージングの受信を可能とし、また、フェーズドアレイアンテナによる無線システムを構築することができる。
いずれにしても、多数のＯＥ変換デバイスを用いてテラヘルツ波信号の発生や受信を行う場合、制御された光ビート信号を、個々のＯＥ変換デバイスに分配する技術が基本的に重要となる。
【０００６】
通常、テラヘルツ波電力合成を行うには、光信号分配回路１００を用い、複数に分岐された光ビート信号を複数のＯＥ変換デバイスに供給し、発生したテラヘルツ波を合成する。図６は、ＰＬＣ技術で製作された光信号分配回路の模式図である。入力導波路ポート１０１に、λ１信号とλ２信号を合波した光ビート信号入力を結合させ、それを、接続導波路１０２でシリーズ接続された２段の１×２光スプリッタ１０４，１０５，１０６で４分岐する。
【０００７】
この後、１×２光スプリッタ１０５，１０６から出力導波路１０３を介して出力された光ビート信号は、光学レンズアレイ１０７を介してフォトダイオード１０８に結合される。フォトダイオード１０８からのテラヘルツ波出力は、電気線路１０９で回路的に電力合成される。ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）の光入力ポートから出力ポートまでの導波路長を等長化するのは、テラヘルツ波長レベルの精度では容易であり、フォトダイオードからのテラヘルツ波出力の位相は均一な状態に制御できる。
【０００８】
フォトダイオードと電力合成回路は、同一の基板１１０上に集積化可能である。合成されたテラヘルツ波電力は、例えば、金属導波管に結合されて空間に放出される。図６に示した様な電気線路による電力合成に加え、個々のフォトダイオードのテラヘルツ波出力を、アレー状に配置した多数のアンテナの１つに直接結合し、アレーアンテナ出力として、電力を合成することもできる。個々のアンテナから出力されるテラヘルツ波の位相を固定する応用であれば、図６と同様の光信号分配回路を用いることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】N. Shimizu,T. Nagatsuma, "Photodiode-integrated microstrip antenna array for subterahertz radiation", IEEE Photonics Technology Letters, VOL. 18, NO. 6 ,March 15, 2006, pp. 743-745
【非特許文献２】H. Ito, T. Furuta, Y. Muramoto, T. Ito, T. Ishibashi, "Photonic millimetre- and sub-millimetrewave generation using J-band rectangularwaveguide-output uni-travelling-carrier photodiode module", Electronics Letters(2005), 23rd November 2006 Vol. 42 No. 24, pp. 1424-1425
【非特許文献３】Shigetaka Itakura, Kiyohide Sakai, Tsutomu Nagatsuka, Eitaro Ishimura, Masaharu Nakaji, Hiroshi Otsuka, Kazutomi Mori, and Yoshihito Hirano, "High-Current Backside-Illuminated Photodiode Array Module for Optical Analog Links", Journal of Lightwave Technology, Vol. 28, Issue 6, pp. 965-971 (2010)
【非特許文献４】Yang Fu, Huapu Pan, Campbell, J.C., "Photodiodes With Monolithically Integrated Wilkinson Power Combiner", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 46, NO. 4, April 2010, pp. 541-545
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような従来技術では、光信号分配回路を用いて、テラヘルツ波の発生、信号伝送、また受信を目的として動作する複数個のデバイスに、位相を制御した光ビート信号を分配する場合、従来の技術では光信号分配回路が複雑となったり、ファイバアンプの使用に伴い、光ビート状態が劣化するという問題が生じた。
【００１１】
前述した従来技術では、個々のアンテナのテラヘルツ波信号位相を変えて、放射方向を制御するフェーズドアレイアンテナを構成するには、光位相変調器を加えた光信号分配回路が必要となる。すなわち、光位相変調器を用いてλ１信号、λ２信号の位相を調整することにより光ビート信号の位相を変える。ここで、従来の典型的な光信号分配回路では、λ１信号とλ２信号の光信号を独立に変調してから合成し、光ビートの状態にする必要があった。  
【００１２】
具体的には、４つの独立した光ビート信号を得るには、図７のような光信号分配回路が光電子集積回路で用いられる。図７は、従来の光電子集積回路を示す回路図である。
まず、光ビート信号入力ポート１１１，１１２からそれぞれ導入したλ１信号、λ２信号を、接続導波路１１３で接続された２段の１×２光スプリッタ１１５，１１６で４分岐する。さらに、接続導波路１１４を介して、８個の位相変調器１１７を通すことにより、λ１信号、λ２信号の合計８波の位相が独立に調整される。最後に、λ１、λ２信号を、４台の３ｄＢカプラ１１８で合波し、８個の光ビート信号を得る。
【００１３】
各３ｄＢカプラは２つの光ビート信号が出力される。ただし、それらの光ビート信号の位相は、光電力振幅で見ると、λ１信号、λ２信号の位相関係にかかわらず、互いに逆位相の状態で固定される。
図８は、３ｄＢカプラを示す説明図である、図９は、３ｄＢカプラでの位相関係を示す説明図である。３ｄＢカプラ１１８に対して、λ１信号がポートＡから、λ２信号がポートＢから導入されるとする。３ｄＢカプラの特性から、ポートＡからポートＣを経由するλ１信号出力１２１に対して、ポートＤのλ１信号出力１２２は光位相がπ／２遅れる。同様に、ポートＤのλ２信号出力１２３に対して、ポートＣのλ２信号出力１２４は光位相がπ／２遅れる。
【００１４】
このため、Ｃポート、Ｄポートで合波されたλ１＋λ２の電界１２５，１２６にしたがって、光ビート信号の振幅は互いに反転した関係となってしまう。Ｃポート、Ｄポート出力のビート位相が独立していないので、独立なアンテナへのビート電力の供給源とはできない。この例に示した光信号分配回路では、多数のスプリッタ、変調器、３ｄＢカプラを使いながら、８個の光ビート信号のうち同相となる４波の光ビート信号しか得られず、広い光集積回路面積が必要となるので効率が良いとは言いがたい。
【００１５】
また、分岐数が多く、λ１信号、λ２信号の各光電力を予めファイバアンプなどを用いて増幅する場合、従来の光信号分配回路を使用するかぎり２台のアンプが必要になる。独立のファイバアンプを用いると、相対的な光偏波状態の不安定性により、光ビート状態が劣化する、という問題も生じる。偏波の調整機能を光信号分配回路上に搭載すると、回路のサイズがさらに大きくなってしまう。
【００１６】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、回路構成の簡素化およびサイズ削減を実現する光信号処理回路技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような目的を達成するために、本発明にかかる光電子集積回路は、基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号ごとに基板上に形成されて、第１の波長の光に対して与える位相変化量と第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、光位相変調器ごとに基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のＯＥ変換デバイスと、ＯＥ変換デバイスごとに基板上に形成されて、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ電気信号を無線送信することにより、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスとを備えている。
【００２０】
また、本発明にかかる他の光電子集積回路は、基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号ごとに基板上に形成されて、第１の波長の光に対して与える位相変化量と第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、光位相変調器ごとに基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のＯＥ変換デバイスと、ＯＥ変換デバイスごとに基板上に形成されて、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスと、ＯＥ変換デバイスごとに基板上に形成されて、当該アンテナデバイスで無線受信した受信信号を、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ電気信号で復調し、得られた復調信号を出力するＮ個の電気入出力回路とを備えている。
【００２１】
また、本発明にかかる他の光電子集積回路は、基板上に形成されて、入力光信号をＮ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号ごとに基板上に形成されて、光の波長により位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、光位相変調器ごとに基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のＯＥ変換デバイスと、ＯＥ変換デバイスごとに基板上に形成されて、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ電気信号を、入力された変調信号で変調し、得られた送信信号を出力するＮ個の電気入出力回路と、基板上に形成されて、電気入出力回路から出力されたＮ個の送信信号を電力合成して出力する電力合成線路とを備えている。
【００２２】
また、本発明にかかるアレイアンテナ発信器は、基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号ごとに基板上に形成されて、第１の波長の光に対して与える位相変化量と第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、光位相変調器ごとに基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のフォトダイオードと、フォトダイオードごとに基板上に形成されて、当該フォトダイオードから出力された個別の位相を持つ電気信号を無線送信することにより、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスとを備えている。
【００２３】
また、本発明にかかるアレイアンテナ受信器は、基板上に形成されて、ビート周波数がテラヘルツ波領域となる第１の波長の光と第２の波長の光を合波して得た入力光信号を、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号ごとに基板上に形成されて、第１の波長の光に対して与える位相変化量と第２の波長の光に対して与える位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、光位相変調器ごとに基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のフォトダイオードと、フォトダイオードごとに基板上に形成されて、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作するＮ個のアンテナデバイスと、フォトダイオードごとに基板上に形成されて、当該アンテナデバイスで無線受信した受信信号を、当該フォトダイオードから出力された個別の位相を持つ電気信号で復調し、得られた復調信号を出力するＮ個の電気入出力回路とを備えている。
【００２４】
また、本発明にかかる発信器は、基板上に形成されて、入力光信号をＮ個（Ｎは２以上の整数）の光信号に分岐して出力する光スプリッタと、光スプリッタから出力された光信号ごとに基板上に形成されて、光の波長により位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力するＮ個の光位相変調器と、光位相変調器ごとに基板上に形成されて、当該光位相変調器から出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力するＮ個のフォトダイオードと、フォトダイオードごとに基板上に形成されて、当該フォトダイオードから出力された個別の位相を持つ電気信号を、入力された変調信号で変調し、得られた送信信号を出力するＮ個の電気入出力回路と、基板上に形成されて、電気入出力回路から出力されたＮ個の送信信号を電力合成して出力する電力合成線路とを備えている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光電子集積回路において、入力された光ビート信号に含まれる、波長が異なる２つの光信号同士の相対位相差を制御することができ、これら光信号が合波された光ビート状態で入力する構成が可能となる。したがって、光信号を増幅する際にファイバアンプが１台で済むため、偏波調整器を不要とすることができる。
【００２６】
このため、ファイバアンプに伴う光ビート状態の劣化を抑制でき、安定した光ビート信号を発生させることが可能となる。また、光スプリッタや３ｄＢカプラ、位相変調器などの回路数を、ほぼ半数まで削減でき、光信号分配回路を簡素化できる。これにより、チップサイズを削減でき、フォトダイオードやアレーアンテナを共通の基板に集積化することもできる。この結果、小形で安定な通信用高出力信号源、テラヘルツ波アレーアンテナ装置、あるいはフォトダイオードの非線形動作を使った、より感度の高い受信器を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
【図２】半導体変調器における半波長電圧の波長依存性の一例を示すグラフである。
【図３】光ビート信号の位相変化を示すグラフである。
【図４】第２の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
【図５】第３の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
【図６】ＰＬＣ技術で製作された光信号分配回路の模式図である。
【図７】従来の光電子集積回路を示す回路図である。
【図８】３ｄＢカプラを示す説明図である。
【図９】３ｄＢカプラでの位相関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる光電子集積回路（Opto-Electronic Integrated Circuit）１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
【００２９】
この光電子集積回路１０は、全体として、テラヘルツ（ＴＨｚ）波の発生、信号伝送、また受信を目的として動作する複数個のＯＥ変換デバイスに、位相を制御した光変調信号を分配する機能を有している。
本実施の形態では、光電子集積回路１０の具体例として、ＯＥ変換デバイスとしてフォトダイオードを用い、これらフォトダイオードからの位相制御されたテラヘルツ波を、個々のアンテナに供給することにより、フェーズドアレイアンテナを構成するアレイアンテナ送信器について説明する。
【００３０】
図１の構成例では、光信号分配し、位相を制御した４つの独立した光ビート信号を得るための基本的な回路、さらにＯＥ変換デバイスであるフォトダイオードとアンテナが、１つの基板上に集積化されている。
【００３１】
本実施の形態にかかる光電子集積回路１０は、例えば、化合物半導体のＩｎＰ基板上に製作することができ、主な回路部として、光ビート信号入力ポート１１、１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂ、接続導波路１４、波長分散を持つ光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄ、位相制御電圧端子１６Ａ〜１６Ｄ、バイアス回路や出力回路を含むフォトダイオード１７、アンテナデバイス１８、フォトダイオード出力とアンテナデバイスを接続する電気線路１９が、ＩｎＰ基板上に集積化されている。
【００３２】
１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂは、光ビート信号入力ポート１１から入力された光ビート信号（入力光信号）ＳをＮ個（Ｎは２以上の整数、本実施の形態ではＮ＝４）の光信号に分岐して出力する機能を有している。
光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄは、上記光信号ごとに設けられて、光の波長により位相変化量が異なる位相変調特性に基づいて、当該光信号の位相を調整して出力する機能を有している。
【００３３】
フォトダイオード（ＯＥ変換デバイス）１７は、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄごとに設けられて、当該光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄから出力された個別の位相を持つ光信号をＯＥ変換して得られた電気信号を出力する機能を有している。
アンテナデバイス１８は、ＯＥ変換デバイス１７ごとに設けられて、当該ＯＥ変換デバイスから出力された個別の位相を持つ電気信号を無線送信することにより、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作する機能を有している。  
【００３４】
これら回路部のうち、１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂ、接続導波路１４、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄ、位相制御電圧端子１６Ａ〜１６Ｄが、光信号分配回路を構成している。光ビート信号入力ポート１１から光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄまでの光導波路長は、等長化された設計とする。
【００３５】
光電子集積回路１０の製作は、導波路形のスプリッタや３ｄＢカプラを搭載した半導体マッハツェンダ干渉計の製作技術が基本となる（例えば、非特許文献１など参照）。
１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂから光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄまでの構造は、半絶縁性のＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長した、ダブルへテロ構造（コア層、クラッド層を含む）を加工することにより、導波路やＹ分岐、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）、位相変調導波路、などを形成する。導波路は、メサ形、埋め込み形、リッジ形などがあるが、目的に応じて適宜選択する。
【００３６】
フォトダイオード１７、電気線路１９、アンテナデバイス１８が搭載される領域は、前述のダブルへテロ構造をエッチングすることにより取り除き、フォトダイオード構造をダブルへテロ構造に隣接してエピタキシャル再成長する。フォトダイオード構造を隣接させることにより、光導波路から導入させる光信号がフォトダイオードの光吸収層と結合し、光電流を誘起させる。フォトダイオード１７は、メサ加工で形成する。また、電気線路１９およびアンテナデバイス１８は、フォトダイオード構造を取り除き、半絶縁性ＩｎＰの上にパタニングすることにより形成する。電気部分のデバイス形成技術は、フォトダイオードの一側面が光導波路、すなわち光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄの出力に接していることを除けば、公知の典型的な製作技術と変わらない。
【００３７】
［第１の実施の形態の動作］
次に、本実施の形態にかかる光電子集積回路１０における光信号分配回路の動作について説明する。
２波長λ１、λ２の光信号が合波器Ｃで合波されて得られた光ビート信号Ｓは、光ビート信号入力ポート１１から導入され、２段のマルチモード干渉計からなる１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂでそれぞれ分岐して４つの光信号とする。この後、これら光信号は、光ビートの状態で光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄを通り、４個のフォトダイオード１７に結合する。
【００３８】
従来の典型的な光信号分配回路（図７参照）では、λ１信号、λ２信号が単色の状態で光位相変調を行い、その後で合波したのに対して、本実施の形態にかかる光電子集積回路１０は、λ１信号、λ２信号を合波した光ビート状態で、光位相変調を行うのが大きな違いである。光ビートの位相を制御する従来の光信号分配回路の場合（図７参照）に比べ、使用する１×２光スプリッタ、もしくは３ｄＢカプラ、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄの数は約１／２に減少する。
【００３９】
λ１信号、λ２信号を２波長混合状態で光位相変調した場合、光ビート信号の位相がどのように変化するのかがポイントである。例えば、半導体変調器は、一般に、位相変調特性に多少の波長分散がある。すなわち、λ１信号、λ２信号の間で、光位相の変化量に差が発生する。光位相変化に相対的な差が出ることは、光ビート信号の位相も変化することを意味する。この種の現象は、光マイクロ波通信では、信号の歪の発生などの問題になることがあったが、有効に活用する議論はなされていない。
【００４０】
半導体変調器における位相変調の分散、別なパラメータで言えば半波長電圧（Ｖπ）の波長依存性と、ビート電力の位相変化がどの様な関係にあるかを考察した結果、発明者らは、ビート周波数がテラヘルツ波領域となると、有効な光ビート位相調整が可能となる見通しを得た。
λ１信号、λ２信号の位相変調器内の波数をｋ１、ｋ２、位相変調電圧が印加される変調器長をＬｗｇ、変調器入力時、λ２信号のλ１信号に対する位相遅れをφとして、変調器出力端の電力Ｐは、次の式（１）で表される。
【００４１】
【数１】
0005715018.tif 000002
この式（１）から、光ビート信号の振幅は、差の周波数（＝ビート周波数）を持ち、変調器導波路内の位相遅れが、（ｋ１−ｋ２）Ｌｗｇ＋φとなることがわかる。
【００４２】
位相変調器内の波数ｋ１，ｋ２は、変調電圧Ｖｍの関数であり、位相回転（遅れ）は、次の式（２）のように、
【数２】
0005715018.tif 000003
と書き替えられる。ゼロバイアス時：Φ（λ，Ｖｍ＝０）からの位相変化分Φ（λ，Ｖｍ）は、半導体の位相変調器で実測値として求められるパラメータである。
【００４３】
また、式（２）の位相項のうち、Ｖｍを含む項（位相調整可能部分）は、次の式（３）のように、
【数３】
0005715018.tif 000004
となる。これから、光ビート信号の位相遅れは、λ１信号、λ２信号の位相遅れの差で与えられることがわかる。
【００４４】
光ビート信号の位相がＶｍでどのように変化するのか、典型的な半導体位相変調器の場合について計算してみる。位相変調器の半波長電圧Ｖπは波長依存を持ち、位相変化は、次の式（４）のように、
【数４】
0005715018.tif 000005
であり、Ｖｍを与えると位相がπだけ遅れる関係にある。
【００４５】
ここで、実験的に、Ｖπの変化は波長変化に対して線形に変化するので、次の式（５）のように、
【数５】
0005715018.tif 000006
と近似でき、Ｖπ０とλ０、ΔＶπ／Δλ、セットで数値を求めることができる。図２は、半導体変調器における半波長電圧の波長依存性の一例を示すグラフである。この波長範囲１５３０〜１５６０［ｎｍ］において、Ｖπは、概ね線形であることがわかる。
【００４６】
結局、ビート信号の位相変化は、次の式（６）のように、
【数６】
0005715018.tif 000007
として求められる。
【００４７】
図３は、光ビート信号の位相変化を示すグラフである。ここでは、図２から得られたＶπ（λ）の電圧依存性を用いて、式（６）から計算した光ビート信号の位相変化が示されている。この計算では、λ１＝１５４０［ｎｍ］に固定し、λ２を変化させることにより、ビート周波数を変えている。
図３から、０．３［ＴＨｚ］では、変調電圧Ｖｍ＝１０［Ｖ］でも、５０°程度の位相変化しかない。しかし、１［ＴＨｚ］、２［ＴＨｚ］の領域となると、同じ１０［Ｖ］の変調電圧でも１００゜以上の位相変化を与えることが可能となることがわかる。
【００４８】
図１の光電子集積回路１０では、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄを含め、すべての導波路の等長化がなされているのが基本であるものの、現実には、半導体プロセスのばらつきのため、わずかではあるが、式（１）のφで表現している等長化の状態からズレが起こる。変調器電圧を調整することにより、このズレを補正するとともに、光ビート信号に対して、任意の光ビート位相変化を与えることができる。  
【００４９】
個々の光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄのビート出力位相調整に関しては、最大でも１８０゜の位相変化を与えることが可能な変調電圧幅が確保されていれば良い。例えば、図３の１［ＴＨｚ］の場合、約１２［Ｖ］で１８０゜の位相変化があるので、０［Ｖ］から１２［Ｖ］の電圧範囲で、それぞれの分岐の光ビート信号を位相調整し、各アンテナ間の位相関係を制御することが可能となる。
なお、ここで用いた半波長電圧Ｖπの波長依存性は一例に過ぎない。位相変調器導波路構造の最適化により、Ｖπは本実施例の場合に比べ、１／３〜１／５にすることが予測できるので、より低い変調電圧Ｖｍで光ビート信号の位相調整を行うことができる。  
【００５０】
［第１の実施の形態の効果］
前述したように、従来の光電子集積回路は、前述の図８に示したように、放射方向を制御するためのフェーズドアレイアンテナを構成するものであり、波長が異なる２つの光信号が合波された光ビート信号に対して独立した位相制御が可能なように構成し、４つのアンテナへ位相制御された電気信号を与えるものである。
【００５１】
この構成では、波長が異なる２つの光信号それぞれに対して位相変調器が必要なため、２つの光信号を独立な２つの入力ポートからそれぞれ入力し、位相制御した後に、２つの光信号を合波する必要がある。したがって、前段で光信号をアンプする際に、２つの光信号それぞれに独立のファイバアンプを用いることになるため、２つの光信号の偏波状態を揃える偏波調整器が必要となる。
【００５２】
これに対して、本実施の形態にかかる光電子集積回路１０では、波長が異なる２つの光信号を合波器Ｃで合波して得られた光ビート信号Ｓを、１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂにより複数の光ビート信号に分岐して、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄで、光の波長により位相変化量が異なる位相変調特性、すなわち波長分散を有する位相変調特性に基づいて、それぞれの位相を調整した後、それぞれ個別のＯＥ変換デバイスへ結合するようにしたものである。
より具体的には、ＯＥ変換デバイスとしてフォトダイオード１７を用い、入力された光ビート信号に基づいてフォトダイオード１７から出力された電気信号を、それぞれのアンテナデバイス１８へ供給するようにしたものである。
【００５３】
これにより、光電子集積回路１０において、入力された光ビート信号Ｓに含まれる、波長が異なる２つの光信号、すなわちλ１信号、λ２信号同士の相対位相差を制御することができ、これらλ１信号、λ２信号が合波された光ビート状態で入力する構成が可能となる。したがって、光信号を増幅する際にファイバアンプが１台で済むため、偏波調整器を不要とすることができる。
【００５４】
このため、ファイバアンプに伴う光ビート状態の劣化を抑制でき、安定した光ビート信号を発生させることが可能となる。また、光スプリッタや３ｄＢカプラ、位相変調器などの回路数を、ほぼ半数まで削減でき、光信号分配回路を簡素化できる。
これにより、チップサイズを削減でき、フォトダイオードやアレーアンテナを共通の基板に集積化することもできる。
【００５５】
［第２の実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる光電子集積回路１０について説明する。図４は、第２の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
本実施の形態では、光電子集積回路１０の具体例として、フォトダイオードをテラヘルツ波受信デバイスとして用いる、アレイアンテナ受信器について説明する。
【００５６】
本実施の形態にかかる光電子集積回路１０は、主な回路部として、第１の実施の形態と同様の、光ビート信号入力ポート１１、１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂ、接続導波路１４、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄ、位相制御電圧端子１６Ａ〜１６Ｄ、アンテナデバイス１８、電気線路１９に加えて、電気入出力回路２１、電気入出力回路２１に接続されたフォトダイオードバイアス端子２２、低周波電気信号出力ライン２３、フォトダイオード２７が、ＩｎＰ基板上に集積化されている。
【００５７】
アンテナデバイス１８は、フォトダイオード（ＯＥ変換デバイス）２７ごとに設けられて、全体としてフェーズドアレイアンテナとして動作する機能を有している。
電気入出力回路２１は、フォトダイオード２７ごとに設けられて、対応するアンテナデバイス１８で無線受信した受信信号を、当該フォトダイオード２７から出力された個別の位相を持つ電気信号で復調し、得られた復調信号を出力する機能を有している。
【００５８】
本実施の形態では、フォトダイオード２７を非線形受信デバイスとして機能させる。この光電子集積回路１０を動作させるには、フォトダイオードバイアス端子２２に適切なフォトダイオードのＤＣバイアスを印加し、光ビート信号入力ポート１１から光ビート信号を導入することにより、フォトダイオードにテラヘルツ波信号を生成させる。これは、非線形マイクロ波デバイスにローカル信号を供給する状態に相当する。
【００５９】
アンテナ１８から、受信したテラヘルツ波信号は、電気入出力回路２１を介してフォトダイオードに導入され周波数ミキシング動作（復調動作）を行う。受信テラヘルツ波信号に重畳されている低周波数の変調信号（ＩＦ信号）を、ホモダイン受信、もしくはヘテロダイン受信により、ＩＦ信号として取り出し、電気入出力回路２１に接続された低周波電気信号出力ライン２３から受信信号を出力する。
【００６０】
必須条件ではないが、電気入出力回路２１は、テラヘルツ波信号に対して方向性結合器の機能を持つことが望ましい。すなわち、光ビート信号により生成されたローカル信号は、アンテナ側には遮断状態とし、アンテナから受信されたテラヘルツ波信号は、フォトダイオードに到達する回路構成とすることが、その応用によるが、必要となる。
ローカル信号は、フォトダイオードへの光ビート信号により生成されるが、その位相の調整は、第１〜第２の実施形態の場合と同様であり、各アンテナの位相関係を調整し、アレーアンテナの適正な受信動作を行う。
【００６１】
［第３の実施の形態］
次に、図５を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる光電子集積回路１０について説明する。図５は、第３の実施の形態にかかる光電子集積回路の構成を示す回路図である。
本実施の形態では、光電子集積回路１０の具体例として、第２の実施形態におけるアンテナ出力形を電気線路出力形に置き換えた、テラヘルツキャリア波で信号を送信する発信器について説明する。
【００６２】
本実施の形態にかかる光電子集積回路１０は、主な回路部として、第１の実施の形態と同様の、光ビート信号入力ポート１１、１×２光スプリッタ１２，１３Ａ，１３Ｂ、接続導波路１４、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄ、位相制御電圧端子１６Ａ〜１６Ｄに加えて、電気入出力回路３１、電気入出力回路３１に接続されたフォトダイオードバイアス端子３２、低周波電気信号入力ライン３３、テラヘルツ波電力合成線路３４、テラヘルツ波信号出力ポート３５、フォトダイオード３７が、ＩｎＰ基板上に集積化されている。
【００６３】
電気入出力回路３１は、フォトダイオード（ＯＥ変換デバイス）３７ごとに設けられて、当該フォトダイオード３７から出力された個別の位相を持つ電気信号を、入力された変調信号で変調し、得られた送信信号を出力する機能を有している。
テラヘルツ波電力合成線路（電力合成線路）３４は、各電気入出力回路３１から出力されたそれぞれの送信信号を電力合成して出力する機能を有している。
【００６４】
本実施の形態にかかる光電子集積回路１０を動作させるには、光ビート信号入力ポート１１から光ビート信号を導入することにより、フォトダイオード３７にテラヘルツ波信号を生成させ、低周波電気信号入力ライン３３から導入する信号でフォトダイオード３７の動作電圧を変え、変調されたテラヘルツ波信号を得る。
【００６５】
ここで、フォトダイオード３７とテラヘルツ波電力合成線路３４の間に挿入される電気入出力回路３１は、フィルタ機能を持っていることが望ましい。すなわち、低周波電気信号入力ライン３３から導入される信号はフォトダイオード３７側のみに伝搬し、テラヘルツ波出力側には遮断状態とする。同時に、テラヘルツ波信号出力は、低周波電気信号入力ライン３３とフォトダイオードバイアス端子３２の側には遮断される状態とする。
【００６６】
本実施の形態の場合、フォトダイオード３７からのテラヘルツ波出力の位相が一致すべく、その位相を調整するが、第１の実施の形態および第２の実施の形態の場合と同様に、光位相変調器１５Ａ〜１５Ｄにより容易に制御することができる。
【００６７】
［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０…光電子集積回路、１１…光ビート信号入力ポート、１２，１３Ａ，１３Ｂ…１×２光スプリッタ、１４…接続導波路、１５Ａ〜１５Ｄ…光位相変調器、１６Ａ〜１６Ｄ…位相制御電圧端子、１７，２７，３７…フォトダイオード、１８…アンテナデバイス、１９…電気線路、２１，３１…電気入出力回路、２２，３２…フォトダイオードバイアス端子、２３…低周波電気信号出力ライン、３３…低周波電気信号入力ライン、３４…テラヘルツ波電力合成線路、３５…テラヘルツ波信号出力ポート。
【図１】
0005715018.tif 000008
【図２】
0005715018.tif 000009
【図３】
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【図４】
0005715018.tif 000011
【図５】
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【図６】
0005715018.tif 000013
【図７】
0005715018.tif 000014
【図８】
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【図９】
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